故障卫星抢救纪实
西安卫星测控中心某测控站正在进行动员宣誓□余建斌
不久前,“中星9A”广播电视直播卫星发射失利,随后西安卫星测控中心力挽狂澜,通过“天地大营救”将“中星9A”救回,进入预定轨道。
在我国航天测控事业发展50周年之际,笔者走进这个被誉为航天测控领域国家队的现代化航天测控中心。它不仅管理着我国100多颗在轨航天器,还通过高超的航天测控技术,让包括“中星9A”在内的10多颗重大故障卫星起死回生,堪称“太空救险队”。
每一次卫星发生故障，都是一场充满挑战的“天地大营救”
6月19日0时11分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭发射“中星9A”广播电视直播卫星,发射过程中出现异常,卫星未能进入预定轨道。
“中星9A”危在旦夕。在人们为失利扼腕叹息时,西安卫星测控中心的技术人员在第一时间分析失利原因,制定挽救措施。
12个小时后,失利原因被准确锁定:火箭三级姿态系统工作异常,导致不能以足够的速度和高度将卫星送入预定轨道。
据负责轨道控制的工程师孙守明介绍,“中星9A”的预定初始轨道远地点高度为41991公里,而卫星实际入轨后初始轨道远地点高度只有16420公里,相差了25571公里。如此大的入轨偏差,在国际同步卫星发射历史上都属罕见。
“还有救!”孙守明说,“‘中星9A’虽然没有进入预定轨道,但这并不算真正意义上的失败,还能够由地面控制卫星利用其自身携带的推进剂实施变轨控制,使卫星最终进入同步轨道。”
故障的复杂程度远远超过了预想。要想按照预案中的措施进行抢救,卫星远地点轨道高度至少要高于2万公里,而“中星9A”的远地点高度仅16420公里。这种情况在历史上尚属首次,操作起来有许多新难题。
7月5日21时,经过16天的全力抢救,综合调用陆海基航天测控资源,准确实施10次轨道调整、6次定点捕获,卫星成功定点于东经101.4度赤道上空的预定轨道,西安卫星测控中心的太空抢救工作圆满完成。
在整个过程中,卫星推进剂实际消耗量远远低于预期。西安卫星测控中心技术人员提出的抢救方案与常规抢救方法相比,为卫星节省约100公斤燃料。
航天事业具有高风险、高投入的特性。受空间环境干扰与设备、器件寿命等因素影响,在轨卫星故障时有发生,保护这些宝贵的国家太空资产,是西安卫星测控中心的重要使命。多年以来,每一次卫星发生故障,都是一场充满挑战的“天地大营救”。
2006年11月,我国一颗遥感卫星突发故障。遥测数据显示,卫星在太空中急速翻滚,星上能源完全消失,只有阳光照射到太阳能帆板时,才有几秒钟的信号反馈。
卫星研制部门和航天测控战线的专家紧急会商。当务之急,是尽快确定卫星姿态,抓住每次几秒钟的卫星加电时间,注入控制指令,使卫星停止翻滚,转入正常运行姿态。否则,造价数十亿元的卫星,将成为毫无用处的太空垃圾。
西安卫星测控中心研究员李恒年带领团队经过持续20多天的仿真分析,终于掌握了卫星翻滚的运动规律和太阳能帆板供电的周期规律,准确预测出卫星最大供电时间段。按照他们的建议,远望号测量船在南半球上空捕获卫星,注入遥控指令,69天的“太空营救”,终获全胜。
2002年6月,超期服役的中巴地球资源卫星软件系统突发故障,姿态紊乱失控,西安卫星测控中心科技人员经过15个昼夜鏖战、数百圈不间断跟踪,使卫星恢复正常姿态。巴西空间研究院的专家们惊叹:“这是一个奇迹!中国的航天测控技术了不起!”
发射不久的某北斗卫星与地面失去联系,连续17天接收不到信号；“鑫诺六号”卫星氦气泄漏,如不及时处置,卫星就会完全失效；“海洋二号”卫星刚发射入轨后不久就持续翻滚,而且转动加快,随时都有解体的危险……
迄今为止,西安卫星测控中心先后参与抢救了10多颗重大故障卫星,让这些太空飞行器转危为安,也为国家挽回了巨大经济损失。
每一次航天任务，都离不开卫星“大管家”的“太空牵引”
1967年6月23日,一支神秘的队伍来到秦岭脚下,架起了我国航天测控网的第一根天线。当时,美国已在全球布设了测控网。起步就差了一大截,要想尽快赶上甚至超越,必须跨越式发展。
1970年,我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”即将发射,西安卫星测控中心大多数科技人员对航天测控知识知之甚少。他们刻苦钻研,在短时间内拿出一整套测控方案。“东方红一号”刚刚升空,他们就准确预报了卫星飞临世界244个城市上空的时间和方位。
航天测控技术是遥控和管理卫星的尖端科技。打个比方,如果航天器是风筝,测控就是风筝线,牢牢地攥在航天测控人手中。从火箭发射一刹那开始,实际上航天任务的接力棒就立即交到了航天测控人手里。茫茫太空,“差之毫厘,失之千里”,最能形象反映航天测控事业的高精度特点。
1975年,我国成功发射了第一颗返回式卫星,测控观察发现,卫星近地点高度在逐渐升高。而从理论上分析,卫星受到大气阻力的影响,轨道近地点高度应该是逐渐下降。西安卫星测控中心测控专家李济生开始不分昼夜地计算。几个月后,谜团解开:卫星姿态控制的喷气管会产生姿控力,虽然只有0.7克的作用力,却使卫星轨道近地点每天升高300多米。李济生随后开发出了全新的卫星定轨方案,使我国卫星定轨精度达到了1公里。此后,李济生带领技术人员继续攻关,使我国的卫星定轨精度逐渐从公里级提高到100米级、10米级甚至米级,为我国航天事业发展奠定了坚实的轨道基础。
目前,在环绕赤道上空、距地面约3.6万公里的地球静止轨道上,大约有2300颗卫星共存。如何在这条360度的“圆弧”占位,考验着航天测控技术能力。2007年初,我国一颗北斗卫星发射在即,日本、俄罗斯各有1颗卫星已抢先占据了“北斗”预定的组网轨位。由于担心3颗卫星共位产生碰撞危险和电磁干扰,两国不同意中国卫星挤进来。经过周密准备和艰苦谈判,西安卫星测控中心设计提出的卫星共位控制方案,最终得到了两国专家认可。截至目前,3个国家的卫星已在同一轨位上安全运行8年多,成为国际社会和平利用太空资源的一个范例。
2016年8月16日,“力星一号”卫星搭载“墨子号”科学试验卫星的运载火箭,在酒泉卫星发射中心成功升空。“力星一号”的轨道高度只有100多公里,是迄今为止运行轨道高度最低的人造地球卫星。轨道低、卫星飞行速度快,对卫星的跟踪、降轨的控制都是空前的考验。从经验上来说,我国没有发射过轨道这么低的卫星,这是在挑战航天器运行轨道的极限。西安卫星测控中心科技人员连续工作两个月,最终在世界上首次实现了过渡流区全球飞行,开辟了新的飞行空域,突破了多项关键技术。
从“东方红一号”卫星,到“北斗”“神舟”“嫦娥”等,每一次航天任务,都离不开西安卫星测控中心的“太空牵引”。组建至今50年,西安卫星测控中心共完成300多次发射测控任务,长期管理在轨飞行器100多颗,被称为卫星“大管家”,创造了我国航天史上的多项第一。
精确预报飞船返回舱落地点，让航天员从太空安全返回地球
载人航天工程是我国航天史上迄今为止规模最大、系统最复杂、技术难度最高的工程。西安卫星测控中心担负着两个重要角色:测控通信任务和着陆场任务。
到目前为止,我国先后11次发射神舟飞船,“天宫”和“天舟”飞行器也相继出征太空。指引这些庞然大物完成“太空握手”,保障天地通话、出舱活动、太空授课等精彩瞬间,包括护送一批批航天员从太空轨道安全返回地面,都离不开西安卫星测控中心精准的测控通信手段。
同时,精确预报飞船返回舱落地地点,对于第一时间迎接航天员、保障航天员健康安全有着极其关键的作用。
着陆场系统主要负责飞船返回舱搜索回收和航天员搜索救援等任务,是一个多要素联合、多专业协同的复杂系统工程。西安卫星测控中心组建了一支具备高度机动性的全天候载人航天搜救力量,逐步形成了一套科学的方案流程,建立了快速安全搜救模式。
1999年11月21日凌晨3时36分,我国第一艘无人太空飞船神舟一号在内蒙古阿木古郎草原顺利着陆,西安卫星测控中心测控回收人员自主摸索,精测妙控,在没有任何技术和经验借鉴的情况下,仅靠“十八勇士”首次成功回收了神舟一号飞船,标志着我国成为世界上第三个掌握载人航天回收技术的国家。
在神舟飞船前4次无人飞行任务中,地面对返回舱落点预报精度大约为10公里,但西安卫星测控中心科研人员不满足于此。他们创造性提出了新的落点预报方案,通过近百次的仿真分析,使预报精度达到1公里。
2003年10月16日6时23分,第一位进入太空的中国航天员杨利伟乘坐神舟五号飞船返回地球。当时,神舟五号返回舱出“黑障区”时,回波信号剧烈起伏,基本上与地面失去电磁信号联系。关键时刻,西安卫星测控中心果断实施光学引导,使雷达及时锁定了目标,创下了搜救直升机和返回舱相距50米同时着地、搜救人员30秒赶到落点现场的奇迹。
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西安新闻，新鲜有料。可以走尽是天涯，难以品尽是故乡。距离西安再远也不是问题。世界很大，期待在此相遇。